Kalifornische Wissenschaftler haben einen großen Durchbruch bei der Fusionskraft erzielt, einer Technologie, die möglicherweise für die kommenden Jahre saubere, kohlenstofffreie Energie liefern könnte, gab das Energieministerium am Dienstag bekannt.
Der Durchbruch gelang am 5. Dezember 1:00 morgens in der National Ignition Facility des Lawrence Livermore National Laboratory, 50 Meilen östlich von San Francisco. Die Arbeit verwendet riesige Laser, um Hitze und Druck zu erzeugen, die denen in der Sonne nahe kommen, genug, um Atome miteinander zu verschmelzen und enorme Energie freizusetzen.
Der am Dienstag beschriebene Fortschritt bestand darin, dass die Forscher dabei mehr Energie erzeugen konnten, als sie hineinsteckten, was als „Zündung“ bezeichnet wird. US-Energieministerin Jennifer Granholm bezeichnete es auf einer Pressekonferenz als “Durchbruch in der Fusion”, der “in die Geschichtsbücher eingehen” werde.
„Das ist ein wissenschaftlicher Meilenstein“, sagte Arati Prabhakar, Direktor des Büros für Wissenschafts- und Technologiepolitik des Weißen Hauses. “Es ist auch ein unglaubliches technisches Wunderwerk.”
Hoffentlich kann dieser Prozess im Laufe der Zeit vergrößert und billig genug durchgeführt werden, um kohlenstofffreie Energie zu erzeugen, ohne den radioaktiven Abfall zu erzeugen, der eine Herausforderung bei der problematischeren Schwester der Fusion, der Kernspaltung, darstellt.
“Das Erreichen der Zündung ist ein Erfolg, der nach mehr als 60 Jahren weltweiter Forschung erzielt wurde”, sagte Jill Hruby, Staatssekretärin für nukleare Sicherheit und Administratorin der National Nuclear Security Administration.
Die Einführung kommerzieller Fusionsreaktoren, die Städte mit Strom versorgen können, wird Jahre dauern und die Arbeit öffentlicher und privater Forscher erfordern, sagte Kim Budil, Direktor des Lawrence Livermore National Laboratory.
„Ich möchte Ihnen keine Ahnung geben, dass wir die NIF (National Ignition Facility in Livermore) ans Netz bringen werden. Aber das ist der grundlegende Block“ einer solchen Arbeit, sagte sie.
Wie haben sie das gemacht?
Die Fusion besteht aus der Verbindung zweier Atome, ein Prozess, der enorme Energiemengen freisetzt. Dies ist das Gegenteil der Kernspaltung, bei der Atome auseinander brechen und ebenfalls Energie freisetzen.
In Livermore richteten Forscher 192 riesige Laser auf einen winzigen Metallzylinder, nicht größer als ein Radiergummi, in dem sich eine winzige Brennstoffkugel von der Größe eines Pfefferkorns befand.
„Die Laser brechen die Kugel von allen Seiten auf, wodurch sie bis zu dem Punkt komprimiert wird, an dem Sie die Dichte und Temperatur erreichen, um eine Fusion auszulösen, ähnlich wie in der Sonne“, sagte Eric Gimon, Teilchenphysiker und Senior Fellow bei Energy Innovationen. , ein überparteiliches Unternehmen für Energie- und Klimapolitik.
Erstmals konnten die Forscher dem Prozess mehr Energie entziehen, als sie hineingesteckt haben – ein Machbarkeitsnachweis, dass es sich um eine Energiequelle handeln kann. „Ungefähr 2 Megajoule bis etwa 3 Megajoule, ein Gewinn von 1,5“, sagte Marvin Adams, stellvertretender Administrator für Verteidigungsprogramme bei der National Nuclear Security Administration.
Wenn der Druck und die Hitze ausreichen, verschmelzen die Atome miteinander und setzen mehr Energie frei, als in den Prozess gesteckt wurde. Das war ein Durchbruch – früher brauchte es immer mehr Energie, um den Prozess zu verwirklichen, als sich herausstellte. Jetzt hat sich das Kalkül geändert und die Energiegewinnung endlich möglich gemacht.
„Das ist nur der erste Schritt“, sagte Gimon. “Wenn Sie den Eiffelturm besteigen würden, wäre dies nur die erste Landung.”
Wie würde ein Fusionsreaktor funktionieren?
Nach der Überwindung vieler wissenschaftlicher und technischer Hürden wäre das Ziel, ein Kraftwerk zu schaffen, das durch Fusion Wärme und Strom erzeugt.
Wenn Atome gebrochen und kombiniert werden, werden Neutronen freigesetzt. Diese treten aus der Reaktionskammer aus und können verwendet werden, um eine Flüssigkeit, wahrscheinlich Wasser, zu erhitzen, um Dampf zu erzeugen. Dieser Dampf könnte verwendet werden, um Turbinen anzutreiben, die Strom erzeugen würden, sagte Alain Brizard, ein Experte für theoretische Fusion am Saint Michael’s College in Vermont, der nicht Teil des Projekts war.
Der gesamte Prozess produziert “um eine Größenordnung” weniger radioaktives Material als ein Kernkraftwerk, das Atome durch Kernspaltung spaltet, sagte er.
Das Reaktormaterial selbst würde leicht radioaktiv werden, aber mit einer sehr kurzen Halbwertszeit von wenigen Tagen bis zu einigen Wochen, im Gegensatz zu den Produkten aus Kernkraftwerken, von denen einige Tausende von Jahren brauchen können, um sicher zu werden, so Nuclear Regulierungskommission.
Fusionskraftwerke könnten auch nicht die Möglichkeit von katastrophalen Zusammenbrüchen und Kernschmelzen haben, die zufällig in Kernkraftwerken wie in Tschernobyl oder Fukushima passieren können.
Bei Fusionen stoppt der gesamte Prozess, sobald Sie den Laser ausschalten, sagte Brizard.
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Verlassen Sie sich in absehbarer Zeit nicht auf Fusionskraft
Der Weg von einem kleinen Experiment in Livermore zu einem Fusionskraftwerk ist lang, sagen Experten. Der Prozess muss iteriert, getestet, hochskaliert und wirtschaftlich rentabel gemacht werden, was Jahre, wenn nicht Jahrzehnte dauern wird.
„Ich würde sagen, dass wir innerhalb der nächsten 20 Jahre einen kommerziell lebensfähigen Kernfusionsreaktor haben werden“, sagte Brizard.
Das werden Großanlagen sein – in der Größe heutiger Kraftwerke.
„Es wird nicht wie Mr. Fusion in ‚Zurück in die Zukunft II‘ sein“, sagte Bizard und bezog sich auf den kaffeekannengroßen Fusionsreaktor, der den DeLorean am Ende des Films antreibt.
Die Arbeit ist ein Paradebeispiel für die mühsame Zeit, die es braucht, um wissenschaftliche Entdeckungen zu erzielen. Es wird seit Jahrzehnten entwickelt und ist ein hervorragendes Beispiel für die Kraft ernsthafter, tiefgehender, langfristiger wissenschaftlicher Forschung und Entwicklung, die nur vom öffentlichen Sektor finanziert werden kann.
„Die wissenschaftlichen und technologischen Herausforderungen auf dem Weg zur Fusionsenergie sind entmutigend, aber das scheinbar Unmögliche möglich zu machen, ist möglich, wenn wir in Bestform sind“, sagte Budil. “So machen wir wirklich große, harte Dinge.”
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Was das für den Klimawandel und erneuerbare Energien bedeutet
Der Durchbruch ist nicht die Antwort auf den Klimawandel und bedeutet nicht, dass die Arbeit an der Umstellung auf eine CO2-neutrale Energieerzeugung gestoppt werden kann.
„Es gibt keine Möglichkeit, dass dies vor 2030 kommerzialisiert wird, und bis dahin müssen wir die Emissionen unseres Landes um 50 % auf das Niveau von 2005 reduzieren, wenn wir hoffen, den Temperaturanstieg auf einem relativ sicheren Niveau zu halten“, sagte Michael O’Boyle, Direktor für Politik für Strom in der Energieinnovation.
Die Welt wird sich weiterhin darauf konzentrieren müssen, den globalen Energiemix vielfältiger zu gestalten, wie z. B. den Einsatz bereits ausgereifter CO2-neutraler Technologien wie Wind, Sonne, Wasserkraft und Kernkraft, und die weitere Erforschung neuer Technologien wie Geothermie und schwimmende Windenergie Meer.
„Es ist definitiv eine gute Nachricht, dass wir langfristig eine weitere potenziell vielversprechende Option haben, aber wir müssen einfach abwarten, wie sich die Dinge entwickeln“, sagte O’Boyle.
Beigesteuert von Karen Weintraub